[发明专利]一种真空系统下磁化材料的强永磁体装置

说明书

本发明公开了一种真空系统下磁化材料的强永磁体装置，包括：永磁体结构、真空腔体、样品架，其中样品架和永磁体安装在真空腔体内部，分别负责给样品降温和加磁场。本装置无需使用大电流(100A)和隔热装置维持磁场，因此不会有额外电流对测量系统产生附加干扰，使用成本低，性能稳定。本装置产生的磁场超过1T，远高于传统磁体磁场强度，磁场在磁化区域内分布均匀，提高实验的可重复性。相比已经广泛应用的直线型海尔贝克阵列磁体，环形磁体的体积更小，磁场最强点分布合理，适合应用于超高真空环境。

技术领域

本发明涉及真空技术、角分辨光电子能谱表征、永磁应用领域，具体涉及一种真空系统下磁化材料的强永磁体装置。

背景技术

磁性材料由于其复杂的物理特性和广阔的应用前景一直是研究的热点。目前在常压环境中测量材料的磁性的技术手段已经较为成熟，测量仪器也有商用化产品(物性测量系统PPMS)(见参考文献Lashley J C,Hundley M F,Migliori A,et al.Criticalexamination of heat capacity measurements made on a Quantum Design physicalproperty measurement system[J].Cryogenics,2003,43(6):369-378.)。然而，在真空系统下，尤其是超高真空环境中对材料的磁性进行调控测量的技术难度很高。这是由真空系统的复杂性和敏感性所决定的。在超高真空环境实现对磁性材料施加高强度磁场的手段目前只有用永磁体或者电磁铁两种方案。然而简单永磁体的磁场强度很难达到一特斯拉(1T)，而且磁场强度局限在磁铁表面，难以满足极端测试的要求。使用电磁铁达到一个特斯拉以上的强磁场则需要非常大的铜线圈，甚至是超导线圈，这就需要另外设计较大的真空腔体，阻碍设备的小型化；而且电磁体需要配备大功率电源和磁体冷却装置，进一步提高了设备成本和实验成本。

海尔贝克阵列(Halbach Array)是一种新型的永磁体排列方式。不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，从而使得阵列一边的磁场显著增强，而另一边显著减弱。

海尔贝克阵列(见参考文献https://www.kjmagnetics.com/blog.asp？p＝halbach-arrays)最早是由美国劳伦斯伯克利国家实验室的Klaus Halbach教授在1979年提出，主要应用于粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置等高能物理领域。由于其出色的磁场分布特性，应用范围也逐渐扩大到诸如核磁共振、磁悬浮、永磁特种电机等工业领域。

这种特殊的磁铁排列方式可以把磁体的磁场连接成一个整体，并把磁场集中到一个狭小的范围内，使得强度成倍提升。目前最强的永磁体峰值磁强在0.6T左右。而使用理想设计的海尔贝克磁铁阵列可以突破这一数值。

鉴于磁性材料的研究价值和真空磁化领域的空白，我们发明了一种可以在真空设备中广泛使用的无干扰，无能耗的强永磁装置，在科研领域具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空系统下磁化材料的强永磁体装置，能够在角分辨光电子能谱(ARPES)等超高真空设备中给材料施加高于1T的强磁场，同时保证磁铁对设备的电子能量分析器没有干扰，而且样品的剩余磁场在传输过程中不会被温度破坏。

本发明采用的技术方案为：一种真空系统下磁化材料的强永磁体装置，包括：永磁体结构、真空腔体和样品架，其中：

永磁体结构，由八枚或十二枚磁极取向按海尔贝克分布的N52钕磁铁或钐钴磁铁组成、根据实际需要选择磁铁的数目和材质；磁铁通过特殊设计的外壳固定，并通过螺杆连接在真空腔体上，可以给磁性材料施加超过1T的恒定磁场；

真空腔体，由径向长度15-20cm的CF63真空管道作为主体，三个CF35的法兰口对称且正交分布在腔体上，另有一个CF35法兰口偏离正交轴20度作为观察窗。真空腔体的一侧CF63或更大型号(大CF法兰)法兰用以连接各种真空测试仪器，另一个大CF法兰用于连接样品架；